具有一階純滯后環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

1、目錄第一部分 設(shè)計(jì)任務(wù)及方案1、設(shè)計(jì)題目及要求2、設(shè)計(jì)方案分析論證第二部分 方案各模塊分析1、被控對象分析2、測量元件熱電阻及前置放大電路3、A/D轉(zhuǎn)換器4、控制器（單片機(jī)）5、光隔驅(qū)動器第三部分 數(shù)字控制器D(Z)的設(shè)計(jì)1、數(shù)字控制器D(Z)2、程序流程圖設(shè)計(jì)第四部分 可靠性和抗干擾性的分析第五部分 心得體會一、 設(shè)計(jì)任務(wù)及方案1.1 設(shè)計(jì)題目及要求1、針對一個(gè)具有大純時(shí)延時(shí)間的一階慣性環(huán)節(jié)()溫度控制系統(tǒng)和給定的系統(tǒng)性能指標(biāo)(工程要求相角裕度為3060，幅值裕度6dB);要求測量范圍-50200，測量精度0.5，分辨率0.2；2、書面設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件布線連接圖，并轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2、圖；3、選擇一種控制算法并借助軟件工程知識編寫程序流程圖；4、用MATLAB和SIMULINK進(jìn)行仿真分析和驗(yàn)證；對象確定：K=10*log(C*C-sqrt(C),rand(state,C), T=rand(1),考慮=0或T/2兩種情況。C為學(xué)號的后3位數(shù)，如C=325，K=115.7，T=0.9824，=0或0.4912。5、進(jìn)行可靠性和抗干擾性的分析。1.2 設(shè)計(jì)方案分析論證 從設(shè)計(jì)要求分析，我們設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)的溫度自動控制系統(tǒng)即可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。整個(gè)系統(tǒng)以單片機(jī)（控制器）為核心，選用光隔驅(qū)動器驅(qū)動電熱絲加熱，由熱電阻PT100檢測然后經(jīng)過前置放大電路輸入A/D轉(zhuǎn)換器，控制器。以此構(gòu)

3、成閉環(huán)控制系統(tǒng)，溫度能根據(jù)設(shè)定值自動調(diào)節(jié)。數(shù)字量給定控制器光隔驅(qū)動被控對象測溫元件前置放大電路A/D輸出圖1 方案總體框圖二、方案各模塊分析2.1 被控對象分析大純時(shí)延時(shí)間的一階慣性環(huán)節(jié)()對象確定：K=10*log(C*C-sqrt(C),rand(state,C), T=rang(1),考慮=0或T/2兩種情況C為學(xué)號的后3位數(shù)，如C=325，K=115.7，T=0.9824，=0或0.4912現(xiàn)取C=359，由MATLAB計(jì)算得：c=359;K=10*log(c*c-sqrt(c)rand(state,c);T=rand(1) K =117.6650 T =0.0510 =0或0.025

4、5所以G(s)= 或2.2 測量元件（熱電阻）電路及前置放大電路 測量元件選型測量元件選用熱電阻，熱電阻溫度計(jì)是利用金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的特性來進(jìn)行溫度測量的。作為測溫敏感元件的電阻材料，要求電阻與溫度呈一定的函數(shù)關(guān)系，溫度系數(shù)大，電阻率大，熱容量小。在整個(gè)測溫范圍內(nèi)應(yīng)具有穩(wěn)定的化學(xué)物理性質(zhì)，而且電阻與溫度之間關(guān)系復(fù)現(xiàn)性要好。常有的熱電阻材料有鉑、銅、鎳。成型儀表是鎧裝熱電阻。鎧裝熱電阻是將溫度檢測原件、絕緣材料、導(dǎo)線三者封焊在一根金屬管內(nèi)，因此它的外徑可以做得較小，具有良好的機(jī)械性能，不怕振動。同時(shí)具有響應(yīng)時(shí)間快、時(shí)間常數(shù)小的優(yōu)點(diǎn)。鎧裝熱電阻除感溫元件外其他部分都可制纜狀結(jié)構(gòu)，可

5、任意彎曲，適應(yīng)各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)場合中的溫度測量。熱電阻在化工生產(chǎn)中應(yīng)有最廣泛。它的優(yōu)點(diǎn)：測量精度高；再現(xiàn)性好，又保持多年穩(wěn)定性、精確度；響應(yīng)時(shí)間快；與熱電偶相比不需要冷端補(bǔ)償。缺點(diǎn)是：價(jià)格比熱電偶貴；需外接電源；熱慣性大；避免使用在有機(jī)械振動的場合。熱電阻具體選型本系統(tǒng)選擇了PT100，溫度傳感器PT100是一種穩(wěn)定性和線性都比較好的鉑絲熱電阻傳感器,可以工作在 -200 至 650 的范圍。本系統(tǒng)要求測量的范圍是-50200，所以足夠滿足測量要求。PT100參數(shù)介紹： Pt100溫度傳感器為正溫度系數(shù)熱敏電阻傳感器，主要技術(shù)參數(shù)如下： 1) 測量范圍：-200+850； 2) 允許偏差值：A級（

6、0.150.002t）， B級（0.300.005t）； 3) 最小置入深度：熱電阻的最小置入深度200mm； 4) 允通電流 5mA。 另外，Pt100溫度傳感器還具有抗振動、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓等優(yōu)點(diǎn)。鉑熱電阻的線性較好，在0100攝氏度之間變化時(shí)，最大非線性偏差小于0.5攝氏度。 測量電路及前置放大電路由于PT100溫度傳感器輸出是mV級別，所以需要經(jīng)前置放大電路后輸入A/D轉(zhuǎn)換器。圖2 傳感器電路R2、R3、R4和 Pt100組成傳感器測量電橋，為了保證電橋輸出電壓信號的穩(wěn)定性，電橋的輸入電壓通過 TL431穩(wěn)至2.5V。從電橋獲取的差分信號通過兩級運(yùn)放放大后輸入單片機(jī)。電橋的一

7、個(gè)橋臂采用可調(diào)電阻R3，通過調(diào)節(jié)R3可以調(diào)整輸入到運(yùn)放的差分電壓信號大小，通常用于調(diào)整零點(diǎn)。放大電路采用 LM358集成運(yùn)算放大器，為了防止單級放大倍數(shù)過高帶來的非線性誤差，放大電路采用兩級放大，如圖2所示，前一級約為 10 倍，后一級約為3 倍。溫度在0100 度變化，當(dāng)溫度上升時(shí)，Pt100 阻值變大，輸入放大電路的差分信號變大，放大電路的輸出電壓Av 對應(yīng)升高。 注意：雖然電橋部分已經(jīng)經(jīng)過TL431 穩(wěn)壓，但是整個(gè)模塊的電壓VCC 一定要穩(wěn)定，否則隨著VCC 的波動，運(yùn)放 LM358 的工作電壓波動，輸出電壓 Av隨之波動，最后導(dǎo)致A/D 轉(zhuǎn)換的結(jié)果波動，測量結(jié)果上下跳變。2.3 A/D

8、轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)要求測量范圍-50200，測量精度0.5，分辨率0.2。所以選取250/2048=0.122，A/D轉(zhuǎn)換器12位才能滿足設(shè)計(jì)要求?，F(xiàn)選取12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574，主要性能如下：1）分辨率：12 位 2）非線性誤差：小于1/2LBS 或1LBS 3）轉(zhuǎn)換速率：25us 4）模擬電壓輸入范圍：010V 和020V，05V 和010V 兩檔四種 5）電源電壓：15V 和 5V 6）數(shù)據(jù)輸出格式：12 位/8 位 7）芯片工作模式：全速工作模式和單一工作模式圖3 A/D轉(zhuǎn)換器部分電路2.4 控制器（單片機(jī)）本系統(tǒng)采用AT89S52足夠滿足系統(tǒng)需要，不必外接RAM、ROM及端口擴(kuò)展。主要性

9、能: 1)與MCS-51單片機(jī)產(chǎn)品兼容2)28K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器 3)1000次擦寫周期 4)全靜態(tài)操作：0Hz33Hz 5)三級加密程序存儲器 6)32個(gè)可編程I/O口線 7)三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 8)八個(gè)中斷源 9)全雙工UART串行通道 10)低功耗空閑和掉電模式 11)掉電后中斷可喚醒 12)看門狗定時(shí)器13)雙數(shù)據(jù)指針 14)掉電標(biāo)識符 圖4 單片機(jī)控制器功能特性描述:AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。使用Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Fl

10、ash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32 位I/O 口線，看門狗定時(shí)器，2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，AT89S52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)

11、一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。2.5 光隔驅(qū)動器（PWM控制）單片機(jī)通過算法運(yùn)算，得出控制信號，通過程序轉(zhuǎn)換成脈寬可調(diào)的脈沖信號，然后經(jīng)過DAC去驅(qū)動光隔驅(qū)動器，改變脈沖信號的脈寬則可達(dá)到控制電熱絲導(dǎo)通時(shí)間的目的，從而按需要改變溫度。光隔驅(qū)動的作用在于使主電路與二次回路(控制回路)絕緣，保護(hù)控制電路。圖5 光隔驅(qū)動2.6 整機(jī)電路圖圖6 整機(jī)電路圖三、數(shù)字控制器D(Z)的設(shè)計(jì)3.1 控制器D(Z)的設(shè)計(jì)由題有G(s)= 或1）當(dāng)=0時(shí)，由MATLAB經(jīng)M文件編譯n1=117.7;d1=0.05 1;g1=tf(n1,d1); np,dp=pade(1,2);gp=tf(np,dp

12、);g0=g1*gp;bode(g0);margin(g0)由圖可知系統(tǒng)幅值裕度太大，相角裕度90deg，不符合設(shè)計(jì)要求。由G(s)得：G（z）=Z= = 又H(z)= ， D(z)=由MATLAB經(jīng)SIMULINK仿真得：所得BODE圖為：由圖分析得系統(tǒng)相角裕度=，幅值裕度Lg=6.06dB，故D(Z)滿足設(shè)計(jì)要求。無需在添加比例調(diào)節(jié)器。2）當(dāng)=T/2時(shí)，由MATLAB經(jīng)M文件編譯n1=117.7;d1=0.05 1;g1=tf(n1,d1);tau=0.025;np,dp=pade(tau,2);gp=tf(np,dp);g0=g1*gp;bode(g0);margin(g0)得出G(s)

13、系統(tǒng)波特圖由圖可知系統(tǒng)幅值裕度太大，相角裕度90deg，不符合設(shè)計(jì)要求。而純滯后=T/2，所以控制器的設(shè)計(jì)選用達(dá)林算法。算法如下：系統(tǒng)廣義對象數(shù)字控制器 期望閉環(huán)傳遞函數(shù)（為期望閉環(huán)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)）其中：（T為采樣周期T=（1/21/10）Tm，T=0.025 ）,， ，一般地，（1/21/3）,可以兼顧系統(tǒng)性能和響應(yīng)的快速性。代入計(jì)算得本系統(tǒng)的參數(shù)值：T0.025， 0.05 K=117.70.025， L=/T=1 1/20.025 所以求得：控制器= 如圖所示為系統(tǒng)D(z)的simulink仿真圖：所得波特圖如下：如圖所示當(dāng)在加上Kc=0.017，系統(tǒng)相角裕度=，幅值裕度Lg=6.3dB

14、，故D(Z)滿足設(shè)計(jì)要求。3.2 程序流程圖設(shè)計(jì)主程序初始化采樣值形成否？清采樣標(biāo)志調(diào)用達(dá)林算法得控制量u(k)，啟動D/A轉(zhuǎn)換得控制信號計(jì)算偏差E(k)T0中斷啟動AD574RETIINT1中斷讀A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果RETIYN置采樣標(biāo)志，采樣值形成第四部分 可靠性和抗干擾性的分析由以上分析可知當(dāng)設(shè)計(jì)的D(z)滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求時(shí)，其階躍響應(yīng)波形如下：圖6 當(dāng)=0時(shí)，系統(tǒng)階躍響應(yīng)波形圖7 當(dāng)=T/2時(shí)，系統(tǒng)階躍響應(yīng)波形由圖可知無論是當(dāng)=T/2或者0時(shí)，系統(tǒng)都能很好的在較短時(shí)間跟隨給定值，且超調(diào)量很小。由此可知系統(tǒng)可靠性和抗干擾性較好。第五部分 心得體會此次課程設(shè)計(jì)使我了解到課本上的知識要運(yùn)用到實(shí)際，我們還有很長的一段路要走，還需要不斷學(xué)習(xí)了解進(jìn)步，知識